在北斗七星的旁邊，大熊座的“熊頭”附近，有一個形狀不倫不類的M82星系。直徑達(dá)1200萬光年的M82星系，有一條黑色縫隙橫貫其中，所以它得到了一個“破裂星系”的綽號。這條黑色縫隙實際上是一個由混雜塵埃的氣體構(gòu)成的，而M82星系本身是一個標(biāo)準(zhǔn)的“透鏡”型星系。M82星系具有顯著的特征，其中心部位以超過別的星系數(shù)千倍的速度誕生著新的恒星。最近在被稱為“星爆”的M82星系中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了奇異的天體。釋放千倍于太陽的能量。
1997年，日本京都大學(xué)的一個研究小組使用X射線觀測衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)M82星系內(nèi)的一個天體，從非常有限的空間發(fā)出大量X射線，這個天體主要放射3000電子伏特的高能X射線，其光度達(dá)到太陽全部光度的千萬倍。
為了搞清這個天體的真實面目，科學(xué)家立即著手進(jìn)行了反復(fù)達(dá)9次的觀測，對可信數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，這個天體在短短幾天的時間里，其光度就發(fā)生了幾倍的變化。這個天體光度的變化情況被美國麻省理工學(xué)院和內(nèi)華達(dá)大學(xué)的科學(xué)家于1999年同時觀測到。它的光度變化的直接原因目前還無法確定，但是卻為科學(xué)家了解這一奇異天體的本來面目，提供了極其珍貴的數(shù)據(jù)，因為根據(jù)這些數(shù)據(jù)能夠算出這個天體的大小，它的直徑約為太陽與地球距離的數(shù)十倍，也就是說，它的大小充其量相當(dāng)于太陽系。從如此小的區(qū)域內(nèi)居然能夠釋放出相當(dāng)于太陽1000萬倍的能量，從現(xiàn)代物理學(xué)可知其唯一的可能就是黑洞。M82星系中黑洞的質(zhì)量。
“黑洞”是根據(jù)廣義相對論預(yù)言存在的天體，它憑著自身的引力把空間中的一切“禁閉”起來。黑洞的大小若用質(zhì)量相比較的話，那么具有太陽質(zhì)量的黑洞，其半徑只有3公里。黑洞把一切物質(zhì)吸入，連光都不可能逸出。而M82星系中的黑洞卻噴釋出大量能量，這的確是異乎尋常的。事實上，當(dāng)物質(zhì)被吸入黑洞的“地平線”下之前，黑洞極強(qiáng)的引力場引起了超高速運動，由此釋放出巨大能量。其原理與水力發(fā)電相似，在水力發(fā)電中，下落的勢能轉(zhuǎn)化為電能。對黑洞來說，因引力下落的能量由于摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⒆罱K轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?
事實上，對被稱為“X射線雙星”的天體的觀測表明，氣體被吸入黑洞后釋放出的是光放射。黑洞是與中子星或是巨星構(gòu)成彼此繞轉(zhuǎn)的雙星，從巨星流出的氣體在旋轉(zhuǎn)著落入黑洞或中子星時，會放出大量X射線。在這種情況下黑洞具有太陽的質(zhì)量，若具有8倍于太陽的質(zhì)量，那便是超新星爆發(fā)后的殘存物。中子星是僅由中子構(gòu)成的天體，比黑洞要大上數(shù)倍。
迄今為止已知的X射線雙星系統(tǒng)最亮者達(dá)到太陽光度的100萬倍程度，M82星系發(fā)現(xiàn)的X射線天體在此基礎(chǔ)上又增高了10倍。由此估計這個黑洞的質(zhì)量約為太陽的460倍到最大為1億倍。總之，這個黑洞的質(zhì)量很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了太陽。這說明，在M82星系發(fā)現(xiàn)的是待確認(rèn)的黑洞，而不單純是超新星爆發(fā)后殘存物。
M82星系發(fā)現(xiàn)的待確認(rèn)黑洞在研究宇宙中存在的巨大黑洞起源的時候，具有極重大的意義。決定性的證據(jù)
近幾年，有觀測報告說在銀河系中心似乎存在巨大黑洞，所謂“巨大黑洞”是指質(zhì)量超過太陽100萬倍以上的黑洞。如果存在巨大黑洞，那么在它周圍的物質(zhì)亦應(yīng)當(dāng)像繞太陽旋轉(zhuǎn)的行星那樣，遵循“開普勒行星運動三定律”，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就在NGC4261、室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心發(fā)現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)的氣體。
根據(jù)開普勒定律，氣體的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)與其圍繞天體的質(zhì)量的平方根成正比，與旋轉(zhuǎn)半徑的平方根成反比。如果能夠確定旋轉(zhuǎn)速度和半徑，就能求出那個天體的質(zhì)量，NGC4261旋轉(zhuǎn)半徑為300光年以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的20億倍；M84星系旋轉(zhuǎn)半徑為30光年以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的3億倍；M87星系旋轉(zhuǎn)半徑為15光年以內(nèi)，質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的30億倍。計算結(jié)果應(yīng)當(dāng)說是令人吃驚的！10億倍太陽質(zhì)量的黑洞的半徑大約為10天文單位，也就是1光年的一萬分之一。所以，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果與黑洞的半徑相比較，還沒有把握住黑洞的外側(cè)。
1995年，有關(guān)科學(xué)家與美國史密森尼安天文臺合作，使用超長基線電波干涉儀群觀測獵犬座NGC4258星系的中心區(qū)域，發(fā)現(xiàn)在NGC4258星系中心僅0．3光年的區(qū)域內(nèi)，就存在相當(dāng)太陽質(zhì)量3600萬倍的質(zhì)量，而且獲得了迄今為止最精確的旋轉(zhuǎn)速度。由此，星系中心存在巨大黑洞的可能幾乎轉(zhuǎn)瞬間便具有了可能性。同年，科學(xué)家們進(jìn)行了對確認(rèn)巨大黑洞具有決定意義的觀測，證據(jù)是通過日本的X射線天文衛(wèi)星觀測得到的，觀測對象是名為“MCG—6—30—15”的一個活躍星系。觀測結(jié)果表明，來自這個星系中心的X射線發(fā)生了“引力紅移”，這是非黑洞無法解釋的。
所謂“引力紅移”是在強(qiáng)引力作用下，時間似乎變慢的可用廣義相對論解釋的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中光波長變長。這個現(xiàn)象被確認(rèn)其意義就相當(dāng)于直接觀測到黑洞。科學(xué)家從此得到了巨大黑洞存在的強(qiáng)有力的證據(jù)。任何星系都存在巨大黑洞。
如果巨大黑洞只是存在于特定的星系的話，那么巨大黑洞可能就是這種特定星系特殊演化的結(jié)果。但是最近的觀測資料開始表明大部分星系的中心都存在巨大黑洞。在宇宙中存在著在一種在相當(dāng)于星系大小一萬分之一以下區(qū)域，卻釋放出100個星系具有的能量的天體，這就是“類星體”。這是一種距離我們極其遙遠(yuǎn)的天體，距離近者離地球也有20億光年之遙。從1962年第一個類星體被發(fā)現(xiàn)以來，這種天體的真實面目仍是待揭之謎。圍繞類星體巨大能量的來源，科學(xué)家提出了形形色色的理論和假說，而最終具有生命力的是巨大黑洞之說。
斗轉(zhuǎn)星移，1997年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡首次觀測證實，類星體處于星系的中心部位，是星系的核心。在那里極有可能存在巨大黑洞。但是此說難圓，迄今發(fā)現(xiàn)的類星體大約只有星系數(shù)目的百分之一，僅僅以此為依據(jù)還不能認(rèn)為任何星系都存在巨大黑洞。
隨著周密觀測的進(jìn)行，科學(xué)家們始知以往了解的“塞弗特星系”與類星體在光譜方面有種種類似。“塞弗特星系”的能量規(guī)模比類星體要小得多。“塞弗特星系”有Ⅰ型與Ⅱ型之分，與類星體光譜相似的為Ⅰ型。對“塞弗特星系”來說，除去其中心區(qū)域的特殊類型，一般是漩渦星系和棒旋星系，比類星體的數(shù)目多得多，達(dá)10倍以上。類星體和“塞弗特星系”總稱為“活動星系核”，科學(xué)家又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了“活動星系核”的“兄弟”———“射電星系”和“活動星系”。最近，科學(xué)家在超過半數(shù)的星系中發(fā)現(xiàn)了衡量星系核心活動程度的“低電離狀態(tài)發(fā)光區(qū)域”。
科學(xué)家認(rèn)為，能夠?qū)⒒顒有窍岛擞镁薮蠛诙春托D(zhuǎn)著被吸入黑洞氣體盤旋建立一個模型。根據(jù)這個模型，星系核活動性的差別由黑洞的大小和單位時間被吸入黑洞的氣體量決定。為了說明多種星系核的活動性，巨大黑洞的質(zhì)量必須達(dá)到太陽質(zhì)量的1000萬倍到10億倍的程度。質(zhì)量居中的新類型黑洞。
如果我們認(rèn)定幾乎所有的星系中心都無一例外地存在巨大黑洞的話，那么這種現(xiàn)象是如何形成的呢，對于這個問題科學(xué)家們還沒有掌握明確的答案，獲得答案的關(guān)鍵也許就在尚待確認(rèn)的M82星系中的黑洞。
通過光度變化發(fā)現(xiàn)的M82星系的待確認(rèn)黑洞的最大質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的上億倍。但是這其中存在一個令人不解的事實──M82星系的待確認(rèn)黑洞不在星系的旋轉(zhuǎn)中心，而在距旋轉(zhuǎn)中心400光年之遙的位置。如果它具有太陽1億倍的質(zhì)量，那么這個黑洞的引力將占支配地位，它周圍的一切都應(yīng)當(dāng)以黑洞為中心旋轉(zhuǎn)，不能想象這個黑洞在圍繞別的什么旋轉(zhuǎn)。由此可知，這個黑洞并沒有那么巨大，它很可能是質(zhì)量居中的新類型，是質(zhì)量為太陽100倍到100萬倍的中間質(zhì)量黑洞。
科學(xué)家對M82星系進(jìn)行了空前精確的觀測，1999年，美國航空航天局的科學(xué)家發(fā)表了新的觀測報告，他們獲得的證據(jù)表明，一個質(zhì)量為太陽100倍到1萬倍的黑洞在距星系中心約1000光年的位置旋轉(zhuǎn)。他們在對39個星系觀測中發(fā)現(xiàn)其中21個星系中有這種中間質(zhì)量的黑洞。如果事實果真如此，那么它將成為解開星系中心巨大黑洞之謎的重要線索。巨大黑洞如何形成尚無定論。
正如前面談到的，科學(xué)家認(rèn)為質(zhì)量相當(dāng)于太陽的黑洞是超新星爆發(fā)的結(jié)果，但是對于巨大黑洞的起源，目前還沒有定論。巨大黑洞是怎樣形成的呢？
達(dá)到太陽質(zhì)量100萬倍的天體，其半徑會凝縮至0．01光年以下，成為一千萬分之一光年大小的中間質(zhì)量黑洞。在質(zhì)量為太陽100萬倍的天體中有“球狀星團(tuán)”。球狀星團(tuán)在宇宙中存在的天體中密度之大異乎尋常，但是球狀星團(tuán)大小達(dá)數(shù)十光年，無論如何不能成為黑洞。在球狀星團(tuán)中作為超新星爆發(fā)的殘存物存在質(zhì)量相當(dāng)于太陽的黑洞。但是如此小的黑洞逐漸構(gòu)成了雙星，要演化成一切都被吞并其中的中間質(zhì)量黑洞，需要比宇宙年齡更長的時間，所以球狀星團(tuán)今天依然固我。
在“星爆”里正以迅猛的速度生成著新的恒星，同時超新星爆發(fā)也呈猛烈之勢，結(jié)果質(zhì)量相當(dāng)太陽的黑洞理當(dāng)比一般星系存在得更多。那么這些黑洞吸聚周圍氣體逐步變大成為中間質(zhì)量黑洞，難道不存在中間質(zhì)量黑洞彼此聚合成為巨大黑洞的可能嗎？不過計算可知，即使用宇宙年齡同樣時間來集聚氣體，質(zhì)量也不過只能增加百分之幾。黑洞合而為一的概率在球狀星團(tuán)的情況下要低得多。解決疑問的關(guān)鍵何在？
那么，巨大黑洞不會由小黑洞聚合而成，就沒有突然形成中間質(zhì)量黑洞的途徑了嗎？要存在這種可能關(guān)鍵之處在于是否能把具有太陽質(zhì)量100萬倍的天體凝縮至0．01光年以下的空間。作為一種可能性，美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家提出了一種新的設(shè)想：在宇宙誕生之初由大質(zhì)量的天體產(chǎn)生了中間質(zhì)量的黑洞。科學(xué)家們把這個過程用計算機(jī)進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，在宇宙誕生30萬年時，大質(zhì)量天體中發(fā)生了電離，大小凝縮至0．01光年以下。此時，宇宙中清澈無比，光能夠通行無阻。由此產(chǎn)生的黑洞質(zhì)量約為太陽的10萬倍到100萬倍，基本上是在與星系無關(guān)的空間形成的。
如此大小的黑洞與星系遭遇，在力學(xué)的摩擦效果作用下，黑洞便落入星系的中心。如果落入星系中心的黑洞一年間會附著一個太陽質(zhì)量的物質(zhì)的話，1億年后就會擁有1億倍以上太陽質(zhì)量，從而成為巨大黑洞。以類星體的能量來說，如此規(guī)模的質(zhì)量附著是必不可少的。但是這種模型也不能完全自圓其說。考慮到一般的宇宙模型，以這種機(jī)理形成的黑洞的數(shù)目比星系的數(shù)目要少得多。因此在理論上，形成巨大黑洞的確切過程應(yīng)當(dāng)說仍未明了，所以具有中間質(zhì)量、圍繞星系中心旋轉(zhuǎn)的M82星系黑洞，是非常耐人尋味的。關(guān)鍵問題在于求出M82星系黑洞的準(zhǔn)確質(zhì)量，并搞清其形成的過程。這些問題的解決對于揭開巨大黑洞之謎，具有決定性的意義。巨大黑洞仍是待揭之謎。
巨大黑洞的起源之謎直到今天仍包裹在重重迷霧之中，說不清道不明。黑洞是如何越變越大的，巨大黑洞又與星系的誕生和演化具有怎樣的關(guān)系，需要解釋的疑問還多得很。1995年，美國夏威夷大學(xué)和密執(zhí)安大學(xué)的幾位科學(xué)家，在研究了巨大黑洞起源的問題后，發(fā)表了非常有趣的分析結(jié)果。
他們將巨大黑洞的觀測結(jié)果針對某一天體，把黑洞的質(zhì)量與星系“鼓包”進(jìn)行了比較。所謂星系“鼓包”指的是處于星系中心呈球狀分布的古老恒星的集團(tuán)。結(jié)果表明，這個比例大約是1000∶1，就算黑洞的質(zhì)量有變化，但這個比例都沒有明顯變化。星系“鼓包”在構(gòu)造上與星系盤有所不同，橢圓星系幾乎都是由“鼓包”構(gòu)成的。
若美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的關(guān)系具有普遍意義，黑洞的形成便很可能與星系“鼓包”的形成有密切關(guān)系。星系“鼓包”是由星系形成初期的“星爆”形成的———
這一假說現(xiàn)在比較有說服力。巨大黑洞也與“星爆”有關(guān)嗎？新類型的黑洞是在M82星系被發(fā)現(xiàn)的，而它也是“星爆”。
“星爆”、星系形成、星系“鼓包”、活動星系核，以及中間質(zhì)量黑洞和巨大黑洞，在這一系列組合之后，最終能夠描繪出的到底是什么呢？
在星系中，仍然隱藏著許多的謎團(tuán)。
根據(jù)近年的觀測，人類所在的銀河系的中央具有棒狀構(gòu)造，所以銀河系也可能是一個棒旋星系。
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